SPECIFIK VARME: HVAD DET BESTÅR AF, HVORDAN DET BEREGNES OG EKSEMPLER - KEMI - 2025

Den specifikke varme er den mængde energi, der skal absorberes, et gram af et stof for at øge dens temperatur med en grad Celsius. Det er en intensiv fysisk egenskab, da den ikke afhænger af masse, da den kun udtrykkes for et gram stof; det er dog relateret til antallet af partikler og deres molære masse samt de intermolekylære kræfter, der binder dem.

Mængden af ​​energi, der absorberes af stoffet, udtrykkes i joule-enheder (J) og mindre almindeligt i kalorier (Cal). Generelt antages det, at energi absorberes gennem varme; energien kan dog komme fra en anden kilde, såsom arbejde, der udføres på stoffet (rigorøs omrøring, for eksempel).

Kogende vand. Kilde: Pixabay

Billedet ovenfor viser en kedel, hvorfra vanddampene, der genereres ved dens opvarmning, frigives. For at opvarme vandet, skal det absorbere varme fra flammen, der er placeret under kedlen. Når tiden går, og afhængigt af ildens intensitet, koges vandet, når det når sit kogepunkt.

Specifik varme bestemmer, hvor meget energi, der forbruger for hver grad ºC, som dens temperatur stiger. Denne værdi er konstant, hvis forskellige mængder vand opvarmes i den samme kedel, da det som sagt i starten er en intensiv egenskab.

Hvad der varierer, er den samlede mængde energi, der absorberes af hver masse af opvarmet vand, også kendt som varmekapaciteten. Jo større vandmassen der skal opvarmes (2, 4, 10, 20 liter), desto større er varmekapaciteten; men dens specifikke varme forbliver den samme.

Denne egenskab afhænger af trykket, temperaturen og volumen; af hensyn til enkel forståelse udelades derimod deres tilsvarende variationer.

Hvad er specifik varme?

Hvad specifikt varme betød for et givet stof blev defineret. Imidlertid udtrykkes dets sande betydning bedre med dens formel, som gør det klart gennem dets enheder, hvilke er clearance, det involverer, når de variabler, som det afhænger af, analyseres. Dens formel er:

Ce = Q / ΔT m

Hvor Q er den absorberede varme, ΔT ændres temperaturen, og m er stoffets masse. der ifølge definitionen svarer til et gram. Gør en analyse af dens enheder, vi har:

Ce = J / ºC · g

Hvilket også kan udtrykkes på følgende måder:

Ce = kJ / K g

Ce = J / ºC · Kg

Den første af dem er den enkleste, og det er med hvilke eksemplerne vil blive kontaktet i de følgende afsnit.

Formlen angiver eksplicit mængden af ​​energi absorberet (J) med et gram stof i en grad ºC. Hvis vi ville fjerne denne mængde energi, ville vi lade ligningen J til side:

J = Ce · ºC · g

Det udtrykt på en mere passende måde og i henhold til variablerne ville være:

Q = Ce ΔT m

Hvordan beregnes specifik varme?

Vand som reference

I ovennævnte formel repræsenterer 'm' ikke et gram stof, da det allerede implicit findes i Ce. Denne formel er meget nyttig til at beregne de specifikke opvarmninger af forskellige stoffer gennem kalorimetri.

Hvordan? Ved hjælp af definitionen af ​​kalorier, som er den mængde energi, der er nødvendig for at varme et gram vand fra 14,5 til 15,5ºC; dette er lig med 4.184 J.

Den specifikke vandvarme er unormalt høj, og denne egenskab bruges til at måle den specifikke opvarmning af andre stoffer, der kender værdien af ​​4.184 J.

Hvad betyder det for en bestemt varme at være høj? At det tilbyder betydelig modstand mod at øge temperaturen, så det skal absorbere mere energi; dvs. vand skal opvarmes meget længere sammenlignet med andre stoffer, som i nærheden af ​​en varmekilde næsten øjeblikkeligt opvarmes.

Af denne grund bruges vand i kalorimetriske målinger, da det ikke oplever pludselige temperaturændringer, når der absorberes energien frigivet fra kemiske reaktioner; eller i dette tilfælde fra kontakt med et andet varmere materiale.

Termisk ligevægt

Da vand er nødt til at absorbere en masse varme for at øge sin temperatur, kan varmen f.eks. Komme fra et varmt metal. Under hensyntagen til masserne af vand og metal vil der ske en varmeveksling mellem dem, indtil det, der kaldes termisk ligevægt, er nået.

Når dette sker, udlignes temperaturerne på vandet og metallet. Varmen, der afgives af varmt metal, er lig med den, der absorberes af vand.

Matematisk udvikling

At vide dette, og med den sidste formel for Q, der lige er beskrevet, har vi:

Q _Vand = -Q _Metal

Det negative tegn angiver, at der frigøres varme fra det varmere legeme (metal) til det køligere legeme (vand). Hvert stof har sin egen specifikke varme Ce og sin masse, så dette udtryk skal udvikles som følger:

Q _Vand = Ce _vand · ΔT _vand · m _Vand = - (Ce _Metal · ΔT _Metal · m _Metal)

Det ukendte er Ce _Metal, da den endelige temperatur i både vand og metal i termisk ligevægt er den samme; derudover er de indledende temperaturer på vandet og metallet kendt inden kontakt, såvel som deres masser. Derfor skal Ce _Metal ryddes:

Ce _Metal = (Ce _Water · ΔT _Water · m _Water) / (-ΔT _Metal · m _Metal)

Uden at glemme, at Ce _Water er 4,184 J / ºC · g. Hvis WaterT _vand og ΔT _Metal udvikles, vil vi have henholdsvis (T _f - T _Vand) og (T _f - T _Metal). Vandet varmes op, mens metallet afkøles, og det er grunden til, at det negative tegn multipliceres ΔT _{Metal, der} forlader (T _Metal - T _f). Ellers ville MetalT _Metal have en negativ værdi, fordi det er T _f mindre (koldere) end T _Metal.

Ligningen udtrykkes derefter endelig på denne måde:

Ce _Metal = Ce _vand · (T _f - T _vand) · m _Vand / (T _Metal - T _f) · m _Metal

Og med det beregnes de specifikke varmer.

Beregningseksempel

Der er en kugle af et underligt metal, der vejer 130 g og har en temperatur på 90 ° C. Dette nedsænkes i en 100 g vandbeholder ved 25 ° C inde i et kalorimeter. Når termisk ligevægt nås, bliver beholderens temperatur 40 ° C. Beregn Ce for metallet.

Den endelige temperatur, _Tf, er 40 ° C. Når man kender de andre data, kan Ce derefter bestemmes direkte:

Ce _Metal = (4.184 J / ºC · g · (40 - 25) ºC · 100 g) / (90 - 40) ºC · 130g

Ce _Metal = 0,965 J / ºC · g

Bemærk, at den specifikke vandvarme er cirka fire gange den for metal (4.184 / 0.965).

Når Ce er meget lille, jo større er dens tendens til at varme op; hvilket er relateret til dets varmeledningsevne og diffusion. Et metal med en højere Ce vil have en tendens til at frigive eller miste mere varme, når det kommer i kontakt med et andet materiale, sammenlignet med et andet metal med en lavere Ce.

eksempler

Specifikke opvarmninger til forskellige stoffer er vist nedenfor.

Vand

Som angivet er den specifikke vandvarme 4.184 J / ° C · g.

Takket være denne værdi kan det få en masse sol i havet, og vandet vil næppe fordampe i en mærkbar grad. Dette resulterer i en termisk forskel, der ikke påvirker livet i havet. For eksempel, når du går på stranden for at svømme, selvom det er meget solrig udenfor, føles vandet en lavere, køligere temperatur.

Varmt vand skal også frigive en masse energi for at afkøle sig selv. I processen opvarmer det de cirkulerende luftmasser og hæver (tempererede) temperaturer noget i kystregioner i løbet af vintre.

Et andet interessant eksempel er, at hvis vi ikke var lavet af vand, kunne en dag i solen være dødbringende, fordi vores kropstemperaturer ville stige hurtigt.

Denne unikke værdi af Ce skyldes intermolekylære brintbindinger. Disse absorberer varme for at nedbrydes, så de lagrer energi. Indtil de er brudt, vil vandmolekylerne ikke være i stand til at vibrere, hvilket øger den gennemsnitlige kinetiske energi, hvilket afspejles i en stigning i temperaturen.

Is

Den specifikke isvarme er 2.090 J / ºC · g. Som vand har den en usædvanlig høj værdi. Dette betyder, at et isbjerge f.eks. Ville have brug for at absorbere en enorm mængde varme for at øge temperaturen. Imidlertid har nogle isbjerge i dag endda optaget den varme, der er nødvendig for at smelte (latent fusionsvarme).

Aluminium

Den specifikke varme af aluminium er 0,900 J / ºC · g. Det er lidt lavere end metallet i kuglen (0,965 J / ºC · g). Her optages varmen for at vibrere aluminiumatomer i aluminium i deres krystallinske strukturer og ikke individuelle molekyler, der holdes sammen af ​​intermolekylære kræfter.

Jern

Den specifikke jernvarme er 0,444 J / ºC · g. Da det er mindre end aluminium, betyder det, at det tilbyder mindre modstand, når det opvarmes; det vil sige, før en brand et stykke jern bliver rød varm meget tidligere end et stykke aluminium.

Aluminium er mere modstandsdygtigt over for opvarmning og holder fødevarer varme længere, når den berømte aluminiumsfolie bruges til at pakke snacks.

Luft

Den specifikke luftvarme er ca. 1.003 J / ºC · g. Denne værdi er meget udsat for tryk og temperaturer, fordi den består af en gasformig blanding. Her optages varmen for at vibrere molekylerne nitrogen, ilt, kuldioxid, argon osv.

Sølv

Endelig er den specifikke varme for sølv 0,234 J / ºC · g. Af alle de nævnte stoffer har den den laveste Ce-værdi, hvilket betyder, at når et stykke sølv står overfor, ville et stykke sølv opvarmes meget mere på samme tid som de to andre metaller. Faktisk harmoniserer det med sin høje termiske ledningsevne.

Referencer

1. Serway & Jewett. (2008). Fysik: til videnskab og teknik. (Syvende udgave), bind 1, Cengage Learning.
2. Whitten, Davis, Peck, Stanley. (2008). Kemi. (Ottende udgave). Cengage Learning.
3. Helmenstine, Anne Marie, ph.d. (5. november 2018). Specifik varmekapacitet i kemi. Gendannes fra: thoughtco.com
4. Eric W. Weisstein. (2007). Specifik varme. Gendannes fra: scienceworld.wolfram.com
5. R Skib. (2016). Specifik varme. Georgia State University. Gendannes fra: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
6. Wikipedia. (2019). Specifik varme. Gendannet fra: es.wikipedia.org